JPH1025565A - Production of head thin film and hard thin film - Google Patents

Production of head thin film and hard thin film

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JPH1025565A
JPH1025565A JP8183644A JP18364496A JPH1025565A JP H1025565 A JPH1025565 A JP H1025565A JP 8183644 A JP8183644 A JP 8183644A JP 18364496 A JP18364496 A JP 18364496A JP H1025565 A JPH1025565 A JP H1025565A
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thin film
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優介 瀧
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing hard thin film having high hardness and utilizable as a hard material and a superhard material at a high speed and at a low cost and to provide the hard thin film having high hardness. SOLUTION: As for the method for producing hard thin film, a cathode incorporated with a carbon source at least contg. carbon and a base metal are used, and hard thin coating is produced by an arc ion plating method. In this case, negative bias voltage is applied to the base metal to regulate the base metal to the negative potential, and the space between the cathode and base metal is provided with a protective body preventing molten carbon grains having >=0.1μm grain diameter among the carbon evaporated from the carbon source from depositing on the base metal. By this producing method, the hard thin film having high hardness can be produced, and this thin film is excellent as a hard material and a superhard material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、硬質材料および超硬質
材料として利用することができる硬質薄膜およびその製
造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hard thin film which can be used as a hard material and a super hard material, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、工業的に広く利用されている硬質
薄膜に、TiN、TiC、Si3 4、SiC、Al2
3 、WCなどの硬質材料からなる薄膜があり、そのヌ
ープ硬度(Hk)は1500〜3500である。さら
に、これらの硬質材料よりさらに高い硬度を示す材料と
して、あえて超硬質材料と呼ばれる3種の結晶材料が存
在する。硬い順に、ダイヤモンド(C)(Hk8000
〜10000)、立方晶窒化ホウ素(c−BN)(Hk
4000〜6000)、炭化ホウ素(B4 C)(Hk3
500〜4500)である。
2. Description of the Related Art Conventionally, hard thin films widely used industrially include TiN, TiC, Si 3 N 4 , SiC and Al 2.
There is a thin film made of a hard material such as O 3 or WC, and its Knoop hardness (Hk) is 1500 to 3500. Further, there are three types of crystalline materials, which are called super-hard materials, as materials having higher hardness than these hard materials. In order of hardness, diamond (C) (Hk8000
-10,000), cubic boron nitride (c-BN) (Hk
4000-6000), boron carbide (B 4 C) (Hk3
500-4500).

【0003】近年、こうした炭素、窒素、ほう素を組成
成分とする超硬質材料を作製する試みがなされており、
特に炭素を主要成分とする超硬質材料を作製する試みが
多くなされ、ダイヤモンドライクカーボン(DLC;ア
モルファスカーボン(a−C:H)のうち、sp3 −C
成分が多く、特に硬質なもの)はその一例である。また
最近、仮想物質β−C3 4 の組成式で表される窒化炭
素が前記のダイヤモンドに匹敵する高い体積弾性率を有
するという理論計算結果(A.Y.Liu and
M.L.Cohen,Science,245(198
9)841)が報告され、窒化炭素も超硬質材料として
の利用可能性が出てきている。
In recent years, attempts have been made to produce ultra-hard materials containing carbon, nitrogen and boron as components.
In particular, many attempts have been made to produce ultra-hard materials containing carbon as a main component. Among diamond-like carbon (DLC; amorphous carbon (aC: H)), sp 3 -C
One having many components and particularly hard) is one example. Recently, theoretical calculation results show that carbon nitride represented by the composition formula of the virtual substance β-C 3 N 4 has a high bulk modulus comparable to that of diamond described above (AY Liu and
M. L. Cohen, Science, 245 (198
9) 841) was reported, and carbon nitride has also become available as an ultra-hard material.

【0004】そこで、各種のPVD、CVDプロセスを
用いてこうしたDLC薄膜や窒化炭素薄膜を作製する試
みがなされている。PVD法では、例えば、電子銃によ
り黒鉛を蒸発させて基板上へ炭素膜の真空蒸着を行うと
同時に、この析出膜に対してイオンビームにより窒素イ
オンを注入してアモルファスの窒化炭素薄膜を作製する
方法が開示されており、硬度の大きい硬質薄膜が得られ
たという報告がある(F.Fujimoto and
K.Ogata,Jpn.J.Appl.Phys.,
76(1994)3791.)。また、CVD法では、
炭化水素とN2ガスを用い、容量結合型の高周波プラズ
マCVDにより窒化炭素からなる硬質薄膜が得られたと
いう報告がある(P.Wood,T.Wydeven
andO.Tsuji,Thin Solid Fil
ms,258(1995)151.)。
Therefore, attempts have been made to produce such a DLC thin film or carbon nitride thin film using various PVD and CVD processes. In the PVD method, for example, graphite is evaporated by an electron gun to perform vacuum deposition of a carbon film on a substrate, and nitrogen ions are implanted into the deposited film by an ion beam to produce an amorphous carbon nitride thin film. A method is disclosed, and there is a report that a hard thin film having high hardness was obtained (F. Fujimoto and
K. Ogata, Jpn. J. Appl. Phys. ,
76 (1994) 3791. ). In the CVD method,
There is a report that a hard thin film made of carbon nitride was obtained by capacitively coupled high-frequency plasma CVD using a hydrocarbon and N 2 gas (P. Wood, T. Wydeven).
andO. Tsuji, Thin Solid Fil
ms, 258 (1995) 151. ).

【0005】しかし、従来のDLC薄膜や窒化炭素薄膜
等の硬質薄膜の作製方法は、成膜速度が小さく、薄膜の
作製に費やす時間が大きいという不具合があった。また
大面積の薄膜を形成したり、立体的に複雑な形状の母材
に薄膜を形成することも困難であった。一方、カソード
蒸発源を用いたアークイオンプレーティング法により、
TiNなどの硬質薄膜が作製されている。この方法で
は、大きな成膜速度で薄膜作製が可能であり、また大面
積の薄膜を形成したり、立体的に複雑な形状の母材に薄
膜を形成することができる。しかし、この方法では、カ
ソード蒸発源より粒径が0.1μm以上の粒径の大きな
溶融粒子も蒸発する。したがって、この方法において、
カソード蒸発源として炭素を含む炭素源を用い、特に黒
鉛を炭素源の原料とした場合には、炭素源より粒径が
0.1μm以上の粒径の大きな溶融炭素粒子も蒸発す
る。この粒径が0.1μm以上の溶融炭素粒子は、アー
クプラズマ中では、ほとんど励起、イオン化されること
なく、また他の物質(アークプラズマ中に含まれる同種
の物質および他種の物質)とほとんど合成反応すること
なく、そのままの状態で母材上へ直線的に飛来する。こ
の溶融炭素粒子が母材上に堆積すると硬度の大きい薄膜
が得られない。
[0005] However, the conventional method for producing a hard thin film such as a DLC thin film or a carbon nitride thin film has the disadvantage that the film forming speed is low and the time spent for producing the thin film is long. It has also been difficult to form a large-area thin film or to form a thin film on a three-dimensionally complex base material. On the other hand, by arc ion plating using a cathode evaporation source,
Hard thin films such as TiN have been produced. According to this method, a thin film can be formed at a high film forming rate, and a thin film having a large area can be formed or a thin film can be formed on a base material having a three-dimensionally complex shape. However, in this method, molten particles having a particle diameter of 0.1 μm or more from the cathode evaporation source are also evaporated. Therefore, in this method,
When a carbon source containing carbon is used as a cathode evaporation source, and particularly when graphite is used as a raw material of the carbon source, molten carbon particles having a particle size of 0.1 μm or more larger than the carbon source also evaporate. The molten carbon particles having a particle size of 0.1 μm or more are hardly excited or ionized in the arc plasma, and are substantially different from other substances (similar substances and other substances contained in the arc plasma). Fly directly onto the base material as it is without any synthetic reaction. When the molten carbon particles deposit on the base material, a thin film having high hardness cannot be obtained.

【0006】そこで、こうしたアークイオンプレーティ
ング法において、曲管を用い、この曲管の一端部に炭素
源を具備するカソードを設け、かつ他端部に母材を設置
して、カソードと母材との間に生成されるアークプラズ
マを磁力で曲げて、アモルファスカーボン薄膜を作製す
る方法が開示されている(R.Lossy,D.L.P
appas,R.A.Roy,J.P.Doyle,
J.J.Cuomo and J.Bruley,J.
Appl.Phys.77(1995)4750)。
Accordingly, in such an arc ion plating method, a curved tube is used, a cathode provided with a carbon source is provided at one end of the curved tube, and a base material is provided at the other end. A method for producing an amorphous carbon thin film by bending an arc plasma generated between them by magnetic force is disclosed (R. Lossy, DLP).
appas, R .; A. Roy, J .; P. Doyle,
J. J. Cuomo and J.M. Bruley, J .;
Appl. Phys. 77 (1995) 4750).

【0007】この曲管を用いたアークイオンプレーティ
ング法では、直線的に空間を移動する溶融炭素粒子は曲
管の曲部でトラップされ、溶融炭素粒子が母材上に堆積
しないように工夫されている。しかし、曲管とアークプ
ラズマを曲げるための磁石とを必要とするため、コスト
が高くなるだけでなく、形成する薄膜の面積や母材の形
状が限定されてしまうという不具合があった。
In the arc ion plating method using the curved tube, the molten carbon particles moving linearly in space are trapped in the curved portion of the curved tube, and the molten carbon particles are devised so as not to deposit on the base material. ing. However, since a curved tube and a magnet for bending the arc plasma are required, not only the cost is increased but also the area of the thin film to be formed and the shape of the base material are limited.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実情に鑑
みてなされたものであり、硬度が大きく、かつ潤滑性お
よび耐凝着性、耐摩耗性、表面の平滑性に優れた硬質薄
膜を高速度でかつ低コストで製造でき、また、このよう
な硬質薄膜を大面積の薄膜を形成したり、立体的に複雑
な形状の母材にも形成できる製造方法を提供することを
目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a hard thin film having high hardness and excellent lubricity, adhesion resistance, abrasion resistance, and surface smoothness. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that can be manufactured at high speed and at low cost, and that can form such a hard thin film into a large-area thin film or a base material having a three-dimensionally complicated shape. .

【0009】また、この製造方法によって得られる硬質
薄膜であって、硬度が大きく、かつ潤滑性、耐凝着性、
耐摩耗性、および表面の平滑性に優れ、硬質材料および
超硬質材料として利用できる硬質薄膜を提供することを
目的とする。
[0009] A hard thin film obtained by this manufacturing method, which has high hardness, lubricity, adhesion resistance,
An object of the present invention is to provide a hard thin film which has excellent wear resistance and surface smoothness and can be used as a hard material and a super hard material.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来のアー
クイオンプレーティング法を用い、母材に負のバイアス
電圧をかけて負の電位とするとともに、炭素源から蒸発
する炭素のうち0.1μm以上の粒径を有する溶融炭素
粒子が母材上に堆積しないように炭素源と母材との間に
防御体を設けて薄膜を作製することにより、硬度が大き
く、かつ潤滑性、耐凝着性、耐摩耗性、および表面の平
滑性に優れた硬質薄膜が得られることを見出し、本発明
に至ったものである。
Means for Solving the Problems The present inventor uses a conventional arc ion plating method to apply a negative bias voltage to a base material to a negative potential and to reduce the amount of carbon evaporating from a carbon source to zero. By forming a thin film by providing a protective body between the carbon source and the base material so that molten carbon particles having a particle size of 1 μm or more do not deposit on the base material, the hardness is high, and the lubricity and the resistance are improved. The present inventors have found that a hard thin film having excellent adhesion, abrasion resistance, and surface smoothness can be obtained, which has led to the present invention.

【0011】即ち、本発明の硬質薄膜の製造方法は、少
なくとも炭素を含む炭素源を具備するカソードと、母材
と、を用い、アークイオンプレーティング法により硬質
薄膜を製造する方法であって、該母材に負のバイアス電
圧をかけて該母材を負の電位とし、かつ、該カソードと
該母材との間に該炭素源から蒸発する該炭素のうち0.
1μm以上の粒径を有する溶融炭素粒子が該母材上に堆
積するのを防ぐ防御体を設けたことを特徴とする。
That is, the method for producing a hard thin film of the present invention is a method for producing a hard thin film by an arc ion plating method using a cathode having a carbon source containing at least carbon and a base material, A negative bias voltage is applied to the base material to bring the base material to a negative potential, and 0.1% of the carbon evaporating from the carbon source between the cathode and the base material.
A protection body is provided to prevent molten carbon particles having a particle size of 1 μm or more from depositing on the base material.

【0012】また、本発明の硬質薄膜は、少なくとも炭
素を含む炭素源を具備するカソードと、母材と、を用
い、該母材に負のバイアス電圧をかけて該母材を負の電
位とし、かつ、該カソードと該母材との間に該炭素源か
ら蒸発する該炭素のうち0.1μm以上の粒径を有する
溶融炭素粒子が該母材上に堆積するのを防ぐ防御体を設
けた状態でアークイオンプレーティング法により得られ
た硬質薄膜であり、複数のsp3 −Cが互いに結合して
形成されたsp3 −Cドメインと複数のsp2 −Cが互
いに結合して形成されたsp2 −Cドメインとがランダ
ムに結合して形成されたアモルファスカーボンネットワ
ークと、該アモルファスカーボンネットワークを構成し
ている炭素原子の少なくとも一部に結合した水素原子
と、からなるa−C:H薄膜であることを特徴とする。
Further, the hard thin film of the present invention uses a cathode having a carbon source containing at least carbon and a base material, and applies a negative bias voltage to the base material to make the base material a negative potential. And a protector is provided between the cathode and the base material to prevent molten carbon particles having a particle size of 0.1 μm or more from being deposited on the base material among the carbon evaporated from the carbon source. state in a rigid thin film obtained by the arc ion plating method, a plurality of sp 3 -C is sp 3 -C domain and a plurality of sp 2 -C bound formed each other are combined with each other to form and amorphous carbon network and sp 2 -C domain is formed by combining at random, and the hydrogen atoms bonded to at least a portion of carbon atoms constituting the amorphous carbon network, consisting of a-C: Characterized in that it is a thin film.

【0013】さらに、本発明のもう一つの硬質薄膜は、
前記a−C:H薄膜である硬質薄膜と同様の方法により
得られる硬質薄膜であり、複数のsp3 −Cが互いに結
合して形成されたsp3 −Cドメインと複数のsp2
Cが互いに結合して形成されたsp2 −Cドメインとが
ランダムに結合して形成されたアモルファスカーボンネ
ットワークと、該アモルファスカーボンネットワークを
構成している炭素原子サイトの少なくとも一部に置換さ
れた窒素原子と、からなるa−C:N薄膜であることを
特徴とする。
Further, another hard thin film of the present invention is:
A hard thin film obtained by the same method as the hard thin film that is the aC: H thin film, wherein a plurality of sp 3 -C domains formed by bonding a plurality of sp 3 -C to each other and a plurality of sp 2-
An amorphous carbon network formed by randomly bonding sp 2 -C domains formed by bonding C atoms to each other; and nitrogen substituted by at least a part of carbon atom sites constituting the amorphous carbon network. And an aC: N thin film composed of atoms.

【0014】本発明の硬質薄膜の製造方法で用いるアー
クイオンプレーティング法は、ターゲットを具備するカ
ソードを用い、アークプラズマを利用して母材上に薄膜
を作製する方法である。この方法では、ターゲット表面
がアークプラズマの高熱により加熱されてターゲットに
含まれる物質が蒸発し、蒸発物質の一部がプラズマから
エネルギーを受け取って、励起、イオン化されたり、ア
ークプラズマ中で他の物質(アークプラズマ中に含まれ
る同種の物質および他種の物質)と合成反応したりす
る。そして、蒸発物質が、こうした蒸発したときの形
態、アークプラズマ中で励起、イオン化された形態、お
よびアークプラズマ中で他の物質と合成反応した形態等
で母材上に堆積し、ターゲットに含まれる物質を含む薄
膜が母材上に形成される。アークプラズマはイオン化率
が高いことが特徴で、このアークイオンプレーティング
法を用いることにより高い成膜速度で硬質薄膜を形成す
ることができる。
The arc ion plating method used in the method for producing a hard thin film of the present invention is a method for producing a thin film on a base material using an arc plasma using a cathode having a target. In this method, the target surface is heated by the high heat of the arc plasma, and the substance contained in the target evaporates, and a part of the evaporating substance receives energy from the plasma and is excited or ionized, or other substances in the arc plasma are excited. (Similar substances and other substances contained in arc plasma). Then, the evaporated substance is deposited on the base material in such a form as when evaporated, in a form excited and ionized in the arc plasma, and in a form where it has undergone a synthetic reaction with other substances in the arc plasma, and is included in the target. A thin film containing the substance is formed on the base material. Arc plasma is characterized by a high ionization rate, and by using this arc ion plating method, a hard thin film can be formed at a high film forming rate.

【0015】本製造方法では、ターゲットとして少なく
とも炭素を含む炭素源を用いるため、炭素源表面より炭
素原子、炭素分子、炭素クラスター等の粒径が0.1μ
m未満の粒径の小さな炭素種、および、粒径が0.1μ
m以上の粒径の大きな溶融炭素粒子が蒸発する。この粒
径の大きな溶融炭素粒子は質量が大きいため、アークプ
ラズマ中に存在する質量の小さな粒子の衝突による影響
等をほとんど受けずにアークプラズマ中を直線的に移動
する。一方、粒径が0.1μm未満の粒径の小さな炭素
種は質量が小さいため、アークプラズマ中の粒子との衝
突等により移動方向や速さを変える。
In the present production method, since a carbon source containing at least carbon is used as a target, the particle size of carbon atoms, carbon molecules, carbon clusters, etc. is 0.1 μm from the surface of the carbon source.
small carbon species with a particle size of less than 0.1 m
Large molten carbon particles having a particle size of m or more evaporate. Since the large-diameter molten carbon particles have a large mass, they move linearly in the arc plasma almost without being affected by collision of small-mass particles existing in the arc plasma. On the other hand, a carbon species having a small particle diameter of less than 0.1 μm has a small mass, and thus changes its moving direction and speed due to collision with particles in arc plasma or the like.

【0016】このため、こうした粒径が0.1μm以上
の粒径の大きな溶融炭素粒子は、カソードと母材との間
に設けられている防御体上に直線的に飛来して付着す
る。一方、粒径が0.1μm未満の粒径の小さな炭素種
は、その挙動が直線的でないため、防御体に付着するも
のが一部あるものの、大部分は蒸発したときの形態、ア
ークプラズマ中で励起、イオン化された形態、およびア
ークプラズマ中で他の物質と合成反応した形態等でこの
防御体に対して回り込んで母材上に堆積する。この防御
体により、0.1μm以上の粒径を有する溶融炭素粒子
が母材上に堆積するのを防ぎ、0.1μm未満の粒径の
小さな炭素種を、蒸発したときの形態、励起、イオン化
された形態、および他の物質と合成反応した形態等で母
材上に堆積させることができる。
[0016] For this reason, such large molten carbon particles having a particle diameter of 0.1 µm or more fly straight and adhere to the protective body provided between the cathode and the base material. On the other hand, small carbon species having a particle size of less than 0.1 μm have a behavior that is not linear, and some of them adhere to the protective body. In the form excited and ionized by the above and in a form synthesized and reacted with other substances in the arc plasma, it wraps around the protective body and deposits on the base material. This protector prevents molten carbon particles having a particle size of 0.1 μm or more from depositing on the base material, and forms, excites, and ionizes small carbon species having a particle size of less than 0.1 μm when evaporated. It can be deposited on the base material in such a form that it has undergone a synthesis reaction with other substances.

【0017】また、本製造方法では、母材は負のバイア
ス電圧がかけられて負の電位にあるため、アークプラズ
マ中に高密度で存在するプラスイオンのうち母材付近に
存在するプラスイオンが母材よりクーロン力を受ける。
そして、クーロン力を受けたプラスイオンは母材の表面
部分に引きつけられて加速し、成長膜表面に入射する。
この入射するプラスイオンのうちエネルギーの高いもの
は、成長膜表面に高い衝撃エネルギーを与える。この衝
撃エネルギーにより、成長膜表面においてsp 3 −Cの
生成が促進され、これらのsp3 −Cが互いに結合して
短距離秩序の大きさのsp3−Cドメインが形成され
る。こうして形成されたsp3 −Cドメインは、同時に
形成された短距離秩序の大きさのsp2 −Cドメインと
ランダムに結合してアモルファスカーボンネットワーク
が形成される。
In the present manufacturing method, the base material is a negative via.
Voltage is at a negative potential, causing arc plasm
Of the positive ions existing at high density in the
The existing positive ions receive Coulomb force from the base material.
The positive ions that have received the Coulomb force are the surface of the base material.
It is attracted to the part, accelerates, and enters the growth film surface.
Higher energy of the incident positive ions
Gives high impact energy to the growth film surface. This opposition
The spike energy causes sp Three-C
Production is enhanced and these spThree-C are linked together
Sp of the magnitude of short-range orderThree-C domain is formed
You. The sp thus formedThree-The C domain is
Sp of the size of the formed short-range orderTwo-C domain and
Amorphous carbon network with random bonding
Is formed.

【0018】仮に、このとき0.1μm以上の粒径の大
きな溶融炭素粒子が堆積すると、成長膜表面に入射する
プラスイオンの衝撃エネルギーを受け取ることのできな
い炭素が増加し、sp3 −Cの生成が阻害されてsp3
−Cドメインの形成量が減少してしまう。また、成長膜
表面に0.1μm以上の凹凸が生じ、膜表面の平滑性が
悪くなってしまう。本製造方法では、防御体により0.
1μm以上の粒径の大きな溶融炭素粒子の堆積を防ぐこ
とができるため、こうしたsp3 −Cドメインの形成量
の減少および膜表面の平滑性の悪化等を防ぐことができ
る。
If the molten carbon particles having a particle diameter of 0.1 μm or more are deposited at this time, carbon which cannot receive the impact energy of the positive ions incident on the surface of the grown film increases, and sp 3 -C is formed. Is inhibited by sp 3
-The formation amount of the C domain is reduced. Further, irregularities of 0.1 μm or more are generated on the surface of the grown film, and the smoothness of the film surface is deteriorated. In the present manufacturing method, the protective body is used for the purpose of 0.1.
Since the deposition of molten carbon particles having a large particle diameter of 1 μm or more can be prevented, it is possible to prevent such a decrease in the formation amount of the sp 3 -C domain and deterioration of the smoothness of the film surface.

【0019】本発明の硬質薄膜は、本製造方法により作
製されたものであり、sp3 −Cドメインを含有するた
め硬度が大きく、sp2 −Cドメインを含有するため潤
滑性および耐凝着性に優れ、また、sp3 −Cドメイン
とsp2 −Cドメインの両者を含有する効果により耐摩
耗性に優れ、さらに、アモルファス構造であるため表面
の平滑性に優れる。
The hard thin film of the present invention is produced by the method of the present invention, and has a high hardness because it contains sp 3 -C domains, and has lubricity and anti-adhesion properties because it contains sp 2 -C domains. It has excellent wear resistance due to the effect of containing both sp 3 -C domain and sp 2 -C domain, and has excellent surface smoothness due to its amorphous structure.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明の硬質薄膜の製造方法で
は、炭素源、母材、防御体は、アークプラズマを発生す
ることができる容器内にそれぞれ設置される。炭素源は
カソードの先端部分に具備されており、アークプラズマ
のターゲットとなる。母材の設置位置については、炭素
源から炭素が蒸発する方向に設置し、かつ硬質薄膜を形
成する母材表面が少なくともアークプラズマ中にあるよ
うに設置する。また防御体は、炭素源と母材との間の位
置に設置する。また、炭素源、母材、防御体は、必要に
よりそれぞれ複数設置して薄膜を形成することもでき
る。本製造方法では、容器のサイズを選択したり、カソ
ードの大きさを選択することにより、アークプラズマの
空間的な広がりの大きさを任意に変えることができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the method for producing a hard thin film according to the present invention, a carbon source, a base material, and a protective body are respectively installed in containers capable of generating arc plasma. A carbon source is provided at the tip of the cathode and serves as a target for arc plasma. The base material is installed in a direction in which carbon evaporates from the carbon source, and is installed such that the surface of the base material forming the hard thin film is at least in arc plasma. The defense body is installed at a position between the carbon source and the base material. A plurality of carbon sources, a base material, and a protective body may be provided as necessary to form a thin film. In this manufacturing method, the size of the spatial spread of the arc plasma can be arbitrarily changed by selecting the size of the container or the size of the cathode.

【0021】本製造方法で使用する少なくとも炭素を含
む炭素源は特に限定されないが、黒鉛を用いることが望
ましい。黒鉛は取扱が楽であり安全な材料である。ま
た、高純度のものでも安価である上、電気伝導性を有す
るためカソード電極の構成部材として使用できる。した
がって、炭素源の材料として非常に優れる。このように
カソード電極の少なくとも表面の一部に黒鉛からなる炭
素源を具備することにより、アークプラズマによって炭
素源より炭素原子、炭素分子、炭素クラスター等の粒径
が0.1μm未満の粒径の小さな炭素種を多く含む状態
で蒸発させることができる。そして、これらの炭素種は
アークプラズマ中を通過する際にプラズマからエネルギ
ーを受取って励起され、またその一部はイオン化され
て、C* 、C2 * 、C2 + 、C+ 等の励起、イオン化さ
れた炭素種がプラズマ中に拡がる。
The carbon source containing at least carbon used in the present production method is not particularly limited, but it is preferable to use graphite. Graphite is an easy and safe material to handle. Further, even a high-purity material is inexpensive and has electrical conductivity, so that it can be used as a constituent member of a cathode electrode. Therefore, it is very excellent as a carbon source material. By providing a carbon source made of graphite on at least a part of the surface of the cathode electrode, the particle diameter of carbon atoms, carbon molecules, carbon clusters, etc. is smaller than 0.1 μm from the carbon source by arc plasma. It can be evaporated with a large amount of small carbon species. Then, these carbon species are excited to receive energy from the plasma when passing through the arc plasma, also some of ionized, C *, C 2 *, C 2 +, excitation of C +, etc., The ionized carbon species spreads in the plasma.

【0022】このとき、電子ビーム、レーザ、イオンビ
ームの少なくとも一つを併用して炭素源から炭素を蒸発
させることが望ましい。これらの手法を組み合わせるこ
とにより、さらに高密度で粒径が0.1μm未満の粒径
の小さな炭素種を蒸発させることができ、アークプラズ
マ中で励起、イオン化する炭素種を増加させることがで
きる。
At this time, it is desirable to vaporize carbon from the carbon source by using at least one of an electron beam, a laser, and an ion beam. By combining these methods, it is possible to evaporate a carbon species having a higher density and a smaller particle size of less than 0.1 μm, and to increase the number of carbon species excited and ionized in the arc plasma.

【0023】また、本製造方法で使用するアークプラズ
マは少なくとも水素を含むことが望ましい。こうしたア
ークプラズマとして、水素がH* 、H2 * 、H2 + 、H
+ 等の励起およびイオン化された形態にあるものを用い
ることができる。このような形態にある水素は反応性に
富んだ状態にあるため、炭素源から蒸発した炭素と容易
に反応して結合する。このとき、系内圧力を0.01P
a以上30Pa以下とすることがさらに望ましい。この
系内圧力により、励起、イオン化された形態にある水素
がさらに高密度にアークプラズマ中に存在する状態とな
る。
It is desirable that the arc plasma used in the present manufacturing method contains at least hydrogen. As such arc plasma, hydrogen H *, H 2 *, H 2 +, H
Those in an excited and ionized form such as + can be used. Since the hydrogen in such a form is in a highly reactive state, it easily reacts and bonds with carbon evaporated from the carbon source. At this time, the pressure in the system is 0.01P
It is more desirable that the pressure be not less than a and not more than 30 Pa. Due to the pressure in the system, hydrogen in an excited and ionized form is present in the arc plasma at a higher density.

【0024】このような水素を含むアークプラズマを用
いることにより、複数のsp3 −Cが互いに結合して形
成されたsp3 −Cドメインと複数のsp2 −Cが互い
に結合して形成されたsp2 −Cドメインとが同時に成
長膜上に形成され、sp3 −Cドメインとsp2 −Cド
メインとがランダムに結合したアモルファスカーボンネ
ットワークが形成される。このとき、アモルファスカー
ボンネットワークの形成と同時に、このアモルファスカ
ーボンネットワークを構成している炭素原子の一部に水
素原子が結合する。こうして、sp3 −Cドメインとs
2 −Cドメインとがランダムに結合して形成されたア
モルファスカーボンネットワークと、該アモルファスカ
ーボンネットワークを構成している炭素原子の少なくと
も一部に結合した水素原子と、からなるa−C:H薄膜
が形成される。
By using such an arc plasma containing hydrogen, a sp 3 -C domain formed by combining a plurality of sp 3 -C and a plurality of sp 2 -C are formed by combining with each other. The sp 2 -C domain is simultaneously formed on the grown film, and an amorphous carbon network in which the sp 3 -C domain and the sp 2 -C domain are randomly bonded is formed. At this time, at the same time as the formation of the amorphous carbon network, hydrogen atoms bond to some of the carbon atoms constituting the amorphous carbon network. Thus, the sp 3 -C domain and s
an aC: H thin film comprising an amorphous carbon network formed by randomly bonding to p 2 -C domains and hydrogen atoms bonded to at least a part of carbon atoms constituting the amorphous carbon network Is formed.

【0025】このとき、母材にかける負のバイアス電圧
は、−50V〜−300Vの範囲内にあることが望まし
い。これにより、sp3 −Cドメインが多く形成され、
薄膜の硬度が大きくなる。この負のバイアス電圧が−5
0Vより絶対値で小さいと入射する正のイオンは十分加
速されず、成長膜表面に対するエネルギー供給量が少な
くなり、sp3 −Cドメインの形成量が減少するため好
ましくない。また−300Vより絶対値で大きいと過度
のイオン衝撃が生じ、sp3 −Cドメインよりsp2
Cドメインの形成の方が優勢となるため好ましくない。
At this time, the negative bias voltage applied to the base material is desirably in the range of -50V to -300V. As a result, many sp 3 -C domains are formed,
The hardness of the thin film increases. This negative bias voltage is -5
If the absolute value is smaller than 0 V, the incident positive ions are not sufficiently accelerated, and the amount of energy supply to the surface of the grown film is reduced, and the amount of sp 3 -C domain formed is undesirably reduced. The large and cause excessive ion bombardment in absolute value than -300 V, sp from sp 3 -C Domain 2 -
The formation of the C domain is not preferred because it predominates.

【0026】あるいはまた、本製造方法で使用するプラ
ズマは少なくとも窒素を含むことが望ましい。こうした
アークプラズマとして、窒素がN* 、N2 * 、N2 +
+等の励起、イオン化された形態にあるものを用いる
ことができる。こうした形態にある窒素は反応性に富ん
だ状態にあるため、炭素源から蒸発した炭素と容易に反
応して結合する。このとき、系内圧力が0.01Pa以
上30Pa以下であることがさらに望ましい。この系内
圧力により、励起、イオン化された形態にある窒素がさ
らに高密度にアークプラズマ中に存在する状態となる。
Alternatively, it is desirable that the plasma used in the present manufacturing method contains at least nitrogen. As such arc plasma, nitrogen is N *, N 2 *, N 2 +,
Excited and ionized forms such as N + can be used. Since nitrogen in such a form is in a highly reactive state, it readily reacts with and bonds to carbon evaporated from a carbon source. At this time, it is more desirable that the pressure in the system be 0.01 Pa or more and 30 Pa or less. Due to the pressure in the system, nitrogen in the excited and ionized form is present in the arc plasma at a higher density.

【0027】このような窒素を含むアークプラズマを用
いることにより、複数のsp3 −Cが互いに結合して形
成されたsp3 −Cドメインと複数のsp2 −Cが互い
に結合して形成されたsp2 −Cドメインとが同時に成
長膜上に形成され、sp3 −Cドメインとsp2 −Cド
メインとがランダムに結合したアモルファスカーボンネ
ットワークが形成される。このとき、アモルファスカー
ボンネットワークの形成と同時に、このアモルファスカ
ーボンネットワークを構成している炭素原子サイトの一
部が窒素原子により置換される。こうして、sp3 −C
ドメインとsp 2 −Cドメインとがランダムに結合して
形成されたアモルファスカーボンネットワークと、該ア
モルファスカーボンネットワークを構成している炭素原
子サイトの少なくとも一部に置換された窒素原子と、か
らなるa−C:N薄膜が形成される。
An arc plasma containing such nitrogen is used.
By having multiple spThree-C are bonded to each other
Sp createdThree-C domain and multiple spTwo-C are each other
Formed by bonding toTwo-C domain and
Formed on long film, spThree-C domain and spTwo-C
Amorphous carbon
A network is formed. At this time, the amorphous car
At the same time as the formation of the bon network,
One of the carbon atom sites that make up the
Part is replaced by a nitrogen atom. Thus, spThree-C
Domain and sp Two-C domain binds randomly
The formed amorphous carbon network and the
Carbon sources that make up the morphus carbon network
A nitrogen atom substituted for at least a part of a child site,
The resulting aC: N thin film is formed.

【0028】このとき、母材にかける負のバイアス電圧
は、−100V〜−400Vの範囲内にあることが望ま
しい。これにより、前記a−C:H薄膜と同様、sp3
−Cドメインが多く形成され、薄膜の硬度が大きくな
る。この負のバイアス電圧が−100Vより絶対値で小
さいか、もしくは−400Vより絶対値で大きいと、前
記a−C:H薄膜と同様の理由により好ましくない。
At this time, it is desirable that the negative bias voltage applied to the base material is in the range of -100V to -400V. Thus, as in the case of the aC: H thin film, sp 3
Many -C domains are formed, and the hardness of the thin film increases. If the negative bias voltage is smaller than -100 V in absolute value or larger than -400 V in absolute value, it is not preferable for the same reason as the aC: H thin film.

【0029】あるいはまた、本製造方法では、ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なく
とも一種を含むアークプラズマを用いることが望まし
い。こうしたプラズマを用いることによっても、母材上
にsp3 −Cドメインとsp2 −Cドメインとが同時に
形成され、sp3 −Cドメインとsp2 −Cドメインと
がランダムに結合してアルファスカーボンネットワーク
が形成される。
Alternatively, in the present manufacturing method, it is desirable to use an arc plasma containing at least one of helium, neon, argon, krypton, and xenon. Also by using such plasma, a sp 3 -C domain and sp 2 -C domain is formed simultaneously on the base material, Alfaz carbon and sp 3 -C domain and sp 2 -C domains randomly bonded A network is formed.

【0030】なお、本製造方法では、アークプラズマの
発生方法は特に限定されないが、容器をアノードとし、
水素ガスや窒素ガス、もしくはヘリウム、ネオン、アル
ゴン、クリプトン、キセノン等の希ガス等を含む低圧ガ
スを介在してアノードとカソードとの2極間に直流の低
電圧、高電流をかけてアーク放電をおこさせ発生させる
ことができる。
In the present manufacturing method, the method of generating the arc plasma is not particularly limited.
Arc discharge by applying a DC low voltage and high current between the anode and the cathode through a low pressure gas containing hydrogen gas, nitrogen gas, or a rare gas such as helium, neon, argon, krypton, xenon, etc. Can be caused to occur.

【0031】また、本製造方法で使用する母材について
は、材質等は特に限定されないが、金属、半導体、セラ
ミックス、樹脂の少なくとも一種を材料とするものが望
ましい。これらの材料は工業的に広く用いられるもので
あり、機械的特性が特に要求される部材等にも用いられ
るものである。また、このとき、導電性のある母材につ
いては、直流電圧源等を用いて負にバイアス印加をする
ことにより、母材を負の電位にすることができる。一
方、絶縁性の母材については、高周波電源等を用いて母
材に負にセルフバイアスすることにより、母材を負の電
位にすることができる。
The material of the base material used in the present manufacturing method is not particularly limited, but it is preferable to use a material made of at least one of a metal, a semiconductor, a ceramic, and a resin. These materials are widely used industrially, and are also used for members and the like that require particularly high mechanical properties. At this time, the base material can be set to a negative potential by applying a negative bias to the conductive base material using a DC voltage source or the like. On the other hand, with respect to an insulating base material, the base material can be set to a negative potential by negatively self-biasing the base material using a high-frequency power supply or the like.

【0032】また、母材の表面積、形状等についても特
に限定されないが、表面積の大きい母材や、立体的に形
状の複雑な母材についても硬質薄膜の形成が可能であ
る。そして、母材は通常固定されて硬質薄膜が形成され
るが、その表面積の大きさや形状により膜厚の偏り等が
生じる場合、これを防ぐために母材を回転させたり、直
線的に動かしたり、平面的に動かしたり、あるいは3次
元的に動かしたりしながら膜厚に偏り等が生じないよう
に硬質薄膜を作製することができる。
The surface area and shape of the base material are not particularly limited, but a hard thin film can be formed on a base material having a large surface area or a base material having a three-dimensionally complex shape. Then, the base material is usually fixed to form a hard thin film, but when the thickness or the like of the surface is uneven due to the size or shape of the surface area, the base material is rotated or moved linearly to prevent this, A hard thin film can be manufactured by moving it two-dimensionally or three-dimensionally so that the film thickness does not become uneven.

【0033】また、本製造方法で使用する防御体の材
質、形状は特に限定されないが、金属、セラミックスの
少なくとも一種からなり、板状の防御板であることが望
ましい。防御体が金属からなることにより防御体の電位
を制御することができ、セラミックスからなることによ
り高温のアークプラズマに対する耐久性が向上する。ま
た、防御体を板状の防御板とすることにより簡便性に優
れるものとなる。
Further, the material and shape of the protective body used in the present manufacturing method are not particularly limited, but it is preferable that the protective body is made of at least one of metal and ceramics and is a plate-like protective plate. Since the protective body is made of metal, the potential of the protective body can be controlled, and since it is made of ceramics, durability against high-temperature arc plasma is improved. In addition, by using a plate-shaped defense plate as the protection body, it becomes excellent in simplicity.

【0034】また、防御体の大きさについては、防御体
が炭素源と母材の間の所定の位置に設置されたとき、炭
素源から見て少なくとも硬質薄膜を形成する母材表面が
防御体の後方に完全に隠れてしまう大きさのものを使用
する。これにより、粒径が0.1μm以上の粒径の大き
な溶融炭素粒子が母材上に堆積するのを防ぐことができ
る。一方、その大きさが必要以上に大きいと、炭素原
子、炭素分子、炭素クラスター等の粒径の小さな炭素種
の回り込みを阻害するので好ましくない。
Regarding the size of the protective body, when the protective body is installed at a predetermined position between the carbon source and the base material, at least the surface of the base material forming a hard thin film as viewed from the carbon source is the protective body. Use a size that is completely hidden behind. Accordingly, it is possible to prevent large molten carbon particles having a particle size of 0.1 μm or more from being deposited on the base material. On the other hand, if the size is larger than necessary, it is not preferable because carbon atoms, carbon molecules, carbon clusters and other small carbon particles having a small particle size are prevented from wrapping around.

【0035】さらに、この防御体は0Vもしくは正の電
位にあることが望ましい。これにより、0Vもしくは正
の電位にある防御体とアークプラズマ中の正の炭素イオ
ンとの間に静電気的な引力が生じるのを防ぐことができ
る。特に防御体を正の電位とすることにより、アークプ
ラズマ中のプラスイオンとの間に斥力が生じ、イオン化
された炭素種の防御体に対する回り込み量が増加する。
一方、この防御体の電位を負にすると、アークプラズマ
中でイオン化された炭素種の防御体に付着する量が増加
し、アークプラズマ中のイオン化された炭素種の量が減
少してしまう。このとき、特に防御体と母材との間のア
ークプラズマ中のイオン化された炭素種の量が減少して
しまうため、母材上に堆積する炭素の量が減少して成膜
速度をあげられなくなり、またイオン衝撃を成長膜に対
して有効に働かせることができなくなる。
Further, it is desirable that the protective body is at 0 V or a positive potential. As a result, it is possible to prevent the generation of electrostatic attraction between the protective body at 0 V or a positive potential and the positive carbon ions in the arc plasma. In particular, by setting the protective body to a positive potential, a repulsive force is generated between the protective body and positive ions in the arc plasma, and the amount of the ionized carbon species wrapping around the protective body increases.
On the other hand, if the potential of the protective body is made negative, the amount of carbon species ionized in the arc plasma attached to the protective body increases, and the amount of ionized carbon species in the arc plasma decreases. At this time, in particular, the amount of ionized carbon species in the arc plasma between the protector and the base material decreases, so that the amount of carbon deposited on the base material decreases, and the film forming speed can be increased. And the ion bombardment cannot be effectively applied to the grown film.

【0036】[0036]

【作用】本発明の硬質薄膜の製造方法により、炭素源か
ら蒸発する0.1μm以上の粒径の大きな溶融炭素粒子
が母材上に堆積することなく、母材上にsp3 −Cドメ
インとsp2 −Cドメインとが同時に形成されてsp3
−Cドメインとsp2 −Cドメインとがランダムに結合
したアルファスカーボンネットワークが形成されるた
め、硬度が大きく、かつ潤滑性、耐凝着性、耐摩耗性、
表面の平滑性に優れた硬質薄膜が得られる。
According to the method for producing a hard thin film of the present invention, molten carbon particles having a particle diameter of 0.1 μm or more, which evaporate from a carbon source, do not accumulate on a base material and sp 3 -C domains The sp 2 -C domain is formed simultaneously and sp 3
-C domain and sp 2 -C domain are randomly bonded to form an alphas carbon network, so that the hardness is large, and the lubricating property, adhesion resistance, abrasion resistance,
A hard thin film having excellent surface smoothness can be obtained.

【0037】特に、本製造方法では、少なくとも水素を
含むアークプラズマを用いることにより、sp3 −Cド
メインとsp2 −Cドメインとがランダムに結合して形
成されたアモルファスカーボンネットワークと、該アモ
ルファスカーボンネットワークを構成している炭素原子
の少なくとも一部に結合した水素原子と、からなるa−
C:H薄膜を製造することができる。
In particular, in the present manufacturing method, by using an arc plasma containing at least hydrogen, an amorphous carbon network formed by randomly bonding sp 3 -C domains and sp 2 -C domains, And a hydrogen atom bonded to at least a part of the carbon atoms constituting the network.
A C: H thin film can be manufactured.

【0038】あるいはまた、少なくとも窒素を含むアー
クプラズマを用いることにより、sp3 −Cドメインと
sp2 −Cドメインとがランダムに結合して形成された
アモルファスカーボンネットワークと、該アモルファス
カーボンネットワークを構成している炭素原子サイトの
少なくとも一部に置換された窒素原子と、からなるa−
C:N薄膜を製造することができる。
Alternatively, by using an arc plasma containing at least nitrogen, an amorphous carbon network formed by randomly bonding sp 3 -C domains and sp 2 -C domains, and the amorphous carbon network are formed. A nitrogen atom at least partially substituted for a carbon atom site
A C: N thin film can be manufactured.

【0039】これらa−C:H薄膜やa−C:N薄膜
は、sp3 −Cドメインを多く含むため、硬度が非常に
大きい。また、系内圧力を0.01Pa以上30Pa以
下とし、母材にかける負のバイアス電圧を選択してsp
3 −Cドメインを多く形成することにより、さらに硬度
の大きい硬質薄膜が得られる。また、本製造方法では、
成膜速度を大きくすることができるため、a−C:H薄
膜、a−C:N薄膜等の硬度の大きい硬質薄膜を高速度
で形成することができる。また、アークプラズマの空間
的な広がりの大きさを任意に変えることができるため、
アークプラズマの空間的な広がりに応じて所望の面積の
薄膜を形成したり、所望の形状の母材に薄膜を形成する
ことができる。さらに、成膜時間により任意の膜厚の硬
質薄膜を形成することができる。
These aC: H thin films and aC: N thin films contain a large amount of sp 3 -C domains, and therefore have extremely high hardness. Further, the pressure in the system is set to 0.01 Pa or more and 30 Pa or less, and a negative bias voltage applied to the base material is selected to sp.
By forming many 3- C domains, a hard thin film having higher hardness can be obtained. Also, in the present manufacturing method,
Since the film formation rate can be increased, a hard thin film having high hardness such as an aC: H thin film and an aC: N thin film can be formed at a high speed. Also, since the size of the spatial spread of the arc plasma can be changed arbitrarily,
A thin film having a desired area can be formed or a thin film can be formed on a base material having a desired shape in accordance with the spatial spread of the arc plasma. Further, a hard thin film having an arbitrary thickness can be formed depending on the film formation time.

【0040】[0040]

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 (試料の作製)本実施例では、硬質薄膜の作製装置とし
て日新電機製マルチアークコーティング装置(MAV−
15.2)を使用し、炭素の炭素源として黒鉛焼結体
(東洋炭素IG510,ash:10ppm)からなる
炭素源を用い、母材としてSi結晶(100)からなる
基板(16mm×40mm、厚さ0.5mm)を用いて
硬質薄膜の作製を行った。
The present invention will be described below in detail with reference to examples. (Preparation of Sample) In the present embodiment, a multi-arc coating device (MAV-
15.2), a carbon source made of graphite sintered body (Toyo Tanso IG510, ash: 10 ppm) as a carbon source of carbon, and a substrate (16 mm × 40 mm, thickness: (0.5 mm) to produce a hard thin film.

【0041】本実施例で使用した硬質薄膜の作製装置の
概略図を図1に示す。硬質薄膜の作製は、ステンレス鋼
(SUS304)からなり、高さ512mm、幅415
mm、奥行410mmのサイズからなる容積を有する真
空容器1の中で行われる。この真空容器1は真空ポンプ
による排気によって最高10-4Paの真空度を保つこと
ができる。真空容器1内には、円柱状の炭素源2(φ6
4mm×32mm)が排気口3の向かい側に取り付けら
れ、真空容器1の内壁に触れないように固定されてい
る。また、ステンレス鋼からなる基板ホルダー4とステ
ンレス鋼からなる板状の防御体5(70mm×40m
m、厚さ3mm)とがステンレス鋼からなる設置台6の
上に固定されている。基板7は基板ホルダー4によって
固定される。本実施例における試料の作製では、炭素源
2の蒸発面と防御体5との間に所定の間隔をあけて防御
体5を固定し、防御体5と基板7との間に40mmの間
隔をあけて基板7を設置台6の上に固定した。
FIG. 1 shows a schematic view of an apparatus for producing a hard thin film used in this embodiment. The hard thin film was made of stainless steel (SUS304) and had a height of 512 mm and a width of 415.
mm and a depth of 410 mm in a vacuum container 1 having a volume of 410 mm. The vacuum vessel 1 can maintain a degree of vacuum of up to 10 -4 Pa by evacuation by a vacuum pump. A cylindrical carbon source 2 (φ6
4 mm × 32 mm) is attached to the opposite side of the exhaust port 3 and is fixed so as not to touch the inner wall of the vacuum vessel 1. Further, a substrate holder 4 made of stainless steel and a plate-like protective body 5 made of stainless steel (70 mm × 40 m
m, thickness 3 mm) is fixed on a mounting table 6 made of stainless steel. The substrate 7 is fixed by the substrate holder 4. In the preparation of the sample in this embodiment, the protective body 5 is fixed at a predetermined distance between the evaporating surface of the carbon source 2 and the protective body 5, and a distance of 40 mm is provided between the protective body 5 and the substrate 7. After that, the substrate 7 was fixed on the mounting table 6.

【0042】この真空容器は接地されており、真空容器
1の外部に設けられた直流電流源8が、真空容器1をア
ノードとし、炭素源2をカソードとして、真空容器1と
炭素源2の底部との間につなげられている。そして、基
板7に負のバイアス電圧をかけられる直流電圧源9が真
空容器1の外部に設けられ、真空容器1と基板7との間
につなげられている。
The vacuum vessel is grounded, and a direct current source 8 provided outside the vacuum vessel 1 uses the vacuum vessel 1 as an anode, the carbon source 2 as a cathode, and the bottom of the vacuum vessel 1 and the carbon source 2. It is connected between. A DC voltage source 9 for applying a negative bias voltage to the substrate 7 is provided outside the vacuum vessel 1 and is connected between the vacuum vessel 1 and the substrate 7.

【0043】また、この真空容器1には、水素ガス供給
源10および窒素ガス供給源11が取り付けられてお
り、この水素ガス供給源10からは真空容器1内に純度
99.99999%の高純度H2 ガスが導入され、この
窒素ガス供給源11からは真空容器1内に純度99.9
999%の高純度N2 ガスが導入される。さらに、リン
グ状の永久磁石12が炭素源2の裏側の真空容器1の外
部に取り付けられている。またリング状の鉄製円板13
が、図1に示される位置に炭素源2に接触しないように
リング状の空間を隔てて取り付けられている。この永久
磁石11から放射状に出た磁力線は炭素源の裏側から表
側を通り抜け、円弧を描いて鉄製円板13の基板側の表
面へ収束する。この磁力線の作用を受けてアークプラズ
マが動き、炭素源2の表面との接触点が動いて、炭素源
2の蒸発面の偏りが減らされる。
Further, a hydrogen gas supply source 10 and a nitrogen gas supply source 11 are attached to the vacuum vessel 1. The hydrogen gas supply source 10 supplies the vacuum vessel 1 with a high purity of 99.99999%. H 2 gas is introduced, and purity of 99.9 is supplied from the nitrogen gas supply source 11 into the vacuum vessel 1.
999% high purity N 2 gas is introduced. Further, a ring-shaped permanent magnet 12 is attached to the outside of the vacuum vessel 1 behind the carbon source 2. Also, a ring-shaped iron disc 13
Are attached to the position shown in FIG. 1 via a ring-shaped space so as not to contact the carbon source 2. Lines of magnetic force radially emitted from the permanent magnet 11 pass through the front side from the back side of the carbon source, converge on the substrate side surface of the iron disk 13 in an arc. The arc plasma moves under the action of the lines of magnetic force, and the contact point with the surface of the carbon source 2 moves, so that the unevenness of the evaporation surface of the carbon source 2 is reduced.

【0044】アルカリ溶液、イオン交換水、エタノール
を用いてよく洗浄し、乾燥させた基板7を基板ホルダー
4に固定し、真空ポンプにより真空容器1内の空気を排
気して真空度を10-3Paとした後、水素ガス供給源1
0より高純度H2 ガスを真空容器1内に導入し、真空ポ
ンプによるH2 ガスの排気量と水素ガス供給源10から
のH2 ガスの導入量とを調節して真空容器1内のH2
ス圧を1Paとし、この圧力を一定に保った。また、直
流電圧源9により基板7に所定の負のバイアス電圧をか
けて、基板7を負の電位とした。続いて、直流電流源8
により炭素源2の電位を−50〜−100Vとし、60
Aの電流によりアーク放電をおこしてアークプラズマ1
4を発生させた。このとき、防御体5および基板7はア
ークプラズマ14の中にある状態となった。そして、直
流電流源8の電流を60Aで一定にしてアーク放電をお
こない薄膜を作製した。
The substrate 7, which has been well washed and dried using an alkaline solution, ion-exchanged water and ethanol, is fixed to the substrate holder 4, and the air in the vacuum vessel 1 is exhausted by a vacuum pump to reduce the degree of vacuum to 10 -3. Pa and then the hydrogen gas source 1
H 2 gas having a purity higher than 0 is introduced into the vacuum vessel 1, and the amount of H 2 gas discharged from the hydrogen gas supply source 10 and the amount of H 2 gas discharged from the hydrogen gas supply source 10 are adjusted by adjusting the amount of H 2 gas exhausted by the vacuum pump. (2) The gas pressure was set to 1 Pa, and this pressure was kept constant. Further, a predetermined negative bias voltage was applied to the substrate 7 by the DC voltage source 9 to set the substrate 7 to a negative potential. Subsequently, the DC current source 8
To make the potential of the carbon source 2 -50 to -100 V,
Arc discharge is caused by the current of
4 was generated. At this time, the protection body 5 and the substrate 7 were in a state in the arc plasma 14. Then, the current of the DC current source 8 was kept constant at 60 A to perform arc discharge, thereby producing a thin film.

【0045】このとき、炭素源2の蒸発面と防御体5と
の間の所定の間隔を160mmとし、基板7にかける所
定の負のバイアス電圧をそれぞれ−50V、−100
V、−200V、−300V、−400V、−500V
から選択して6種類の硬質薄膜の試料を作製し、それぞ
れ実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、実施例
5、実施例6とした。また、基板7に負のバイアス電圧
をかけずに(0V)薄膜の試料を作製して比較例1とし
た。また基板7の温度は、アルメル−クロメル型の熱電
対15を用いて測定したところ、200℃以下の上昇温
度であった。
At this time, the predetermined distance between the evaporating surface of the carbon source 2 and the protective body 5 is 160 mm, and the predetermined negative bias voltages applied to the substrate 7 are -50 V and -100 V, respectively.
V, -200V, -300V, -400V, -500V
The samples of six types of hard thin films were prepared by selecting from Examples 1 and 2, and the samples were referred to as Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, Example 5, and Example 6, respectively. In addition, a sample of a (0 V) thin film was prepared without applying a negative bias voltage to the substrate 7, and was set as Comparative Example 1. The temperature of the substrate 7 was 200 ° C. or less when measured using an alumel-chromel thermocouple 15.

【0046】窒素ガス供給源11より高純度N2 ガスを
真空容器1内に導入して真空容器1内のN2 ガス圧を1
Paとし、炭素源2の蒸発面と防御体5との間の所定の
間隔を120mmとし、また基板7にかける所定の負の
バイアス電圧をそれぞれ−100V、−150V、−2
00V、−300V、−400V、−500Vから選択
する以外は、実施例1〜6と同様にして硬質薄膜の試料
を作製した。
High-purity N 2 gas is introduced into the vacuum vessel 1 from the nitrogen gas supply source 11 to reduce the N 2 gas pressure in the vacuum vessel 1 to 1
Pa, the predetermined distance between the evaporation surface of the carbon source 2 and the protective body 5 is 120 mm, and the predetermined negative bias voltages applied to the substrate 7 are -100 V, -150 V, and -2, respectively.
Except for selecting from 00V, -300V, -400V, and -500V, samples of hard thin films were prepared in the same manner as in Examples 1 to 6.

【0047】基板7にかける所定の負のバイアス電圧を
それぞれ−100V、−150V、−200V、−30
0V、−400V、−500Vとして作製した6種類の
硬質薄膜の試料を、それぞれ実施例7、実施例8、実施
例9、実施例10、実施例11、実施例12とした。ま
た、基板7に負のバイアス電圧をかけずに(0V)薄膜
の試料を作製して比較例2とした。また、基板温度は、
アルメル−クロメル型の熱電対15を用いて測定したと
ころ、200℃以下の上昇温度であった。 (試料の評価)実施例1〜12および比較例1および比
較例2で得られた試料について、触針法を用いて膜厚測
定を行い、膜厚と成膜時間から成膜速度を求めた。この
結果、実施例1〜12および比較例1、比較例2で得ら
れた試料は200nm/minの成膜速度で作製された
ことがわかった。
The predetermined negative bias voltages applied to the substrate 7 are set to -100 V, -150 V, -200 V, and -30 V, respectively.
Samples of six types of hard thin films prepared at 0 V, -400 V, and -500 V were used as Example 7, Example 8, Example 9, Example 10, Example 11, and Example 12, respectively. In addition, a sample of a (0 V) thin film was prepared without applying a negative bias voltage to the substrate 7, and was set as Comparative Example 2. The substrate temperature is
When measured using an alumel-chromel type thermocouple 15, the temperature rose to 200 ° C. or lower. (Evaluation of Samples) For the samples obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2, the film thickness was measured by using the stylus method, and the film forming rate was obtained from the film thickness and the film forming time. . As a result, it was found that the samples obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 were produced at a deposition rate of 200 nm / min.

【0048】実施例1〜12および比較例1および比較
例2で得られた試料について、硬度測定をおこなった。
本硬度測定はダイナミック超微小硬度計(島津DUH−
200)を用いて行い、稜間角度115°のダイヤモン
ド三角錐圧子を0.5gfの荷重で基板7上の薄膜表面
に押し込んで、試料の塑性変形のみに相当する硬さを得
た。
The hardness of each of the samples obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 was measured.
This hardness measurement is performed using a dynamic ultra-micro hardness tester (Shimadzu DUH-
200), a diamond triangular pyramid indenter having an edge angle of 115 ° was pressed into the thin film surface on the substrate 7 with a load of 0.5 gf to obtain a hardness equivalent to only plastic deformation of the sample.

【0049】実施例1〜6および比較例1で得られた試
料について、硬度測定の結果を図2に示す。また、実施
例1〜6および比較例1で得られた試料について、硬度
測定の結果を図3に示す。なお、図2および図3には、
基板7であるSi(100)の本測定で測定した硬度を
比較のため記した。このSi(100)は、ヌープ硬度
で1400(Hk)である。
FIG. 2 shows the results of hardness measurement of the samples obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. FIG. 3 shows the results of hardness measurement of the samples obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. 2 and 3, FIG.
The hardness of the substrate 7 of Si (100) measured by the main measurement is shown for comparison. This Si (100) has a Knoop hardness of 1400 (Hk).

【0050】図2より、比較例1の試料の硬度はSi
(100)の硬度を下回ることがわかる。−50〜−3
00Vの範囲内の負のバイアス電圧を基板にかけて作製
した実施例1〜4の試料は、Si(100)より硬度が
大きく、また、実施例5および実施例6の試料はSi
(100)とほぼ同じであることがわかる。このことよ
り、実施例1〜6の試料は、非常に硬度が大きく、中で
も実施例1〜4の試料は硬質材料として優れることがわ
かる。特に−100Vの負のバイアス電圧を基板7にか
けて作製した実施例2の試料ではSi基板の2倍の硬度
を有し、硬質材料として優れた硬度をもつ硬質薄膜であ
ることがわかる。
FIG. 2 shows that the hardness of the sample of Comparative Example 1 was Si.
It can be seen that the hardness is lower than (100). -50 to -3
The samples of Examples 1 to 4 produced by applying a negative bias voltage in the range of 00 V to the substrate have higher hardness than Si (100), and the samples of Examples 5 and 6 have a hardness of Si (100).
It turns out that it is almost the same as (100). This indicates that the samples of Examples 1 to 6 have extremely high hardness, and the samples of Examples 1 to 4 are particularly excellent as hard materials. In particular, the sample of Example 2 produced by applying a negative bias voltage of −100 V to the substrate 7 has a hardness twice as high as that of the Si substrate, and is a hard thin film having excellent hardness as a hard material.

【0051】図3より、比較例2の試料の硬度はSi
(100)の硬度を下回ることがわかる。一方、−10
0〜−400Vの範囲内の負のバイアス電圧を基板7に
かけて作製した実施例7〜11の試料は、Siより硬度
が大きく、また、実施例12の試料はSi(100)と
ほぼ同じであることがわかる。このことより、実施例7
〜12の試料は非常に硬度が大きく、中でも実施例7〜
11の試料は硬質材料として優れることがわかる。特に
−300Vの負のバイアス電圧を基板にかけて作製した
実施例10の試料ではSi基板の4倍の硬度を有するこ
とがわかる。これは超硬質材料として十分利用できる硬
度である。
FIG. 3 shows that the hardness of the sample of Comparative Example 2 was Si.
It can be seen that the hardness is lower than (100). On the other hand, -10
The samples of Examples 7 to 11 produced by applying a negative bias voltage in the range of 0 to -400 V to the substrate 7 have higher hardness than Si, and the sample of Example 12 is almost the same as Si (100). You can see that. From this, Example 7
Samples Nos. To 12 had extremely high hardness, and among them, Examples 7 to
It can be seen that the sample No. 11 is excellent as a hard material. In particular, it can be seen that the sample of Example 10 manufactured by applying a negative bias voltage of -300 V to the substrate has four times the hardness of the Si substrate. This is a hardness that can be sufficiently used as a super-hard material.

【0052】次に、実施例1〜12および比較例1、比
較例2で得られた試料について、X線光電子分光法(X
PS)により薄膜中の化学組成を調べ、窒素と炭素の原
子比率(N/C比)を求めた。さらに、X線回折(XR
D)、ラマン分光法、赤外分光法(IR)を併用して構
造解析をおこない、また原子間力顕微鏡を用いて表面観
察をおこなった。
Next, the samples obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to X-ray photoelectron spectroscopy (X
PS), the chemical composition of the thin film was examined, and the atomic ratio of nitrogen and carbon (N / C ratio) was determined. Furthermore, X-ray diffraction (XR
D), structural analysis was carried out using Raman spectroscopy and infrared spectroscopy (IR) together, and surface observation was carried out using an atomic force microscope.

【0053】XPSにより薄膜中の化学組成を調べた結
果、実施例1〜6および比較例1の試料は炭素を主成分
とすることがわかった。一方、実施例7〜12および比
較例2の試料は炭素と窒素のみからなることがわかっ
た。また、図4に示されるように、実施例7〜12およ
び比較例2の試料のN/C比は0.16〜0.32であ
ることがわかった。
As a result of examining the chemical composition of the thin film by XPS, it was found that the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 had carbon as a main component. On the other hand, it was found that the samples of Examples 7 to 12 and Comparative Example 2 consisted of only carbon and nitrogen. Moreover, as shown in FIG. 4, it turned out that the N / C ratio of the sample of Examples 7-12 and the comparative example 2 is 0.16-0.32.

【0054】XRDの測定結果は図示しないが、この測
定結果より実施例1〜12および比較例1、比較例2で
得られた試料はアモルファスであることがわかった。実
施例1〜12および比較例1、比較例2の試料につい
て、514.5nmの波長のアルゴンレーザに対するラ
マン散乱スペクトルを測定した。実施例1〜6および比
較例1の試料について得られたラマンスペクトルを図5
に示す。また、防御体5を用いない以外は実施例9と同
じ作製条件でグラファイト的なsp2 −Cのみからなる
薄膜試料を作製し、これを比較例3としてそのラマンス
ペクトルを図5に併せて示した。また、実施例7〜12
および比較例2の試料について得られたラマンスペクト
ルを図6に示す。なお、図5、図6では、ラマンシフト
(cm-1)を横軸にとり、縦軸にラマン散乱強度の相対
値をとっている。
Although the XRD measurement results are not shown, the measurement results show that the samples obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 were amorphous. The samples of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 were measured for Raman scattering spectra with respect to an argon laser having a wavelength of 514.5 nm. FIG. 5 shows Raman spectra obtained for the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.
Shown in Further, a thin film sample made of only graphite-like sp 2 -C was prepared under the same preparation conditions as in Example 9 except that the protective body 5 was not used, and the Raman spectrum thereof is shown in FIG. Was. Examples 7 to 12
FIG. 6 shows the Raman spectrum obtained for the sample of Comparative Example 2 and FIG. In FIGS. 5 and 6, the horizontal axis represents Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents relative values of Raman scattering intensity.

【0055】まず、比較例3について説明する。結晶性
のよいグラファイトであれば、波数が1575〜158
0cm-1のあたりにE2gモードに相当する鋭いピーク
が一本だけ現れる(このピークはGバンドと呼ばれ
る)。これに対して比較例3の薄膜試料は結晶性が悪く
なっているため、Gバンドはブロードになっており、ま
た、1350cm-1に結晶子のサイズが小さくなること
でラマン活性となったピークが現れる(このピークはD
バンドと呼ばれる)。この薄膜はグラファイト的なsp
2 −Cのみでネットワークが形成されているので、Gバ
ンドのピーク位置に変化はない。そして、Dバンドはs
2 −Cのネットワークの不整のみに相当する。 図5
よりわかるように、実施例1〜6および比較例1の試料
では、sp3−Cによるsp3 結合成分が入ってくるの
で、グラファイト的なsp2 −Cのネットワークに起因
するGバンドはさらにブロードになり、また、本来の位
置(1575〜1580cm-1)より低波数側へシフト
する。一方、Dバンドについては、グラファイト結晶子
のサイズが小さくなったことのみでなく、sp3 −Cに
よるsp3 結合成分が入ってくることによるグラファイ
ト的な結合角に不整が生じることにも起因する。この結
果より、実施例1〜6および比較例1の試料では、sp
3 −Cドメインとsp2 −Cドメインとを含み、これら
のドメインがランダムに結合してカーボンネットワーク
を形成していることがわかる。
First, Comparative Example 3 will be described. If the graphite has good crystallinity, the wave number is 1575 to 158.
Only one sharp peak corresponding to the E 2 g mode appears around 0 cm −1 (this peak is called G band). On the other hand, since the thin film sample of Comparative Example 3 had poor crystallinity, the G band was broad, and the peak at which the crystallite size was reduced to 1350 cm −1 and Raman activity was reached. Appears (this peak is D
Called a band). This thin film is made of graphite sp
Since the network is formed only with 2- C, there is no change in the peak position of the G band. And the D band is s
This corresponds to only the network irregularity of p 2 -C. FIG.
As more apparent in the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, since the incoming sp 3 bonding component by sp 3 -C, G band due to graphite specific sp 2 -C network further broad , And shifts to the lower wave number side from the original position (1575-1580 cm -1 ). On the other hand, the D band, not only the size of the graphite crystallites is reduced, also due to the fact that irregularities occur in a graphite coupling angle due to incoming sp 3 bonding component by sp 3 -C . From these results, in the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, sp
3 and a -C domain and sp 2 -C domain, it can be seen that these domains form a carbon network randomly bonded.

【0056】実施例1〜6の中でも、実施例2および実
施例3のラマンスペクトルは、DLCに特有のバンド形
状を有し、このバンド形状を反映して図2からも明らか
なように実施例2は最も大きい硬度を有する。−300
Vより絶対値で大きな負のバイアス電圧では、Gバンド
がグラファイト様の位置へ徐々にシフトしていき、ピー
ク幅もだんだん狭くなっていく。このことは、過度の負
のバイアス印加を基板にかけると、グラファイト的なs
2 −Cドメインがsp3 −Cドメインと相対的に多く
形成されることを示している。
Among the examples 1 to 6, the Raman spectra of the examples 2 and 3 have a band shape peculiar to the DLC. 2 has the highest hardness. −300
At a negative bias voltage whose absolute value is larger than V, the G band gradually shifts to a graphite-like position, and the peak width gradually narrows. This is because, if an excessive negative bias is applied to the substrate, the graphite-like s
This shows that the p 2 -C domain is formed relatively more than the sp 3 -C domain.

【0057】また図6より、実施例7〜12の試料で
は、1570〜1560cm-1付近のGバンドのブロー
ドピークと、1370〜1360cm-1付近のDバンド
のブロードピークが見られることがわかる。この結果よ
り、実施例7〜12および比較例2の試料では、sp3
−Cドメインとsp2 −Cドメインとを含み、これらの
ドメインがランダムに結合してカーボンネットワークを
形成していることがわかる。
[0057] Also from FIG. 6, in the sample of Example 7-12, the broad peak of G-band near 1570~1560Cm -1, it can be seen that the broad peak of D band near 1370~1360Cm -1 is observed. From these results, the samples of Examples 7 to 12 and Comparative Example 2 showed sp 3
-C domain and sp 2 -C domain, and it can be seen that these domains bind randomly to form a carbon network.

【0058】次に、実施例1〜12および比較例1、比
較例2の試料について赤外透過吸収スペクトルを測定し
た結果について述べる。実施例1〜6および比較例1の
試料については図示しないが、いずれの試料において
も、2800〜3000cm-1の波数付近で赤外線吸収
端が見られることがわかり、炭素と水素とが結合してい
ることがわかった。これより、実施例1〜6および比較
例1の試料についていずれの試料も、sp3 −Cドメイ
ンおよびsp2 −Cドメインのそれぞれのドメインの終
端部分に水素原子が結合していることがわかる。
Next, the results of measuring infrared transmission absorption spectra of the samples of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 will be described. Although the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 are not shown, it can be seen that in any of the samples, an infrared absorption edge can be seen near a wave number of 2800 to 3000 cm −1 , and carbon and hydrogen are bonded. I knew it was there. From this, it can be seen that in each of the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, a hydrogen atom is bonded to the terminal portion of each of the sp 3 -C domain and the sp 2 -C domain.

【0059】また、実施例7〜12および比較例2の試
料について測定した赤外透過吸収スペクトルを図7に示
す。図7では試料を透過させた赤外線の波数(cm-1
を横軸にとり、縦軸に赤外線透過スペクトル強度の相対
値をとっている。図7より、いずれの試料においても、
2215cm-1、1620〜1590cm-1、1540
〜1520cm-1、1380〜1250cm-1、136
0〜1180cm-1、1090〜1080cm-1の6箇
所の波数付近で赤外線吸収端が見られる。2215cm
-1の赤外線吸収は、ネットワークの終端部分としてのシ
アナミド的あるいはまたベンゾニトリル的なC≡N結合
によるものである。1620〜1590cm-1および1
540〜1520cm-1の赤外線吸収は、ピリジン的な
C=C結合とC=N結合との結合のコンビネーション、
つまり共役状態によるものである。また、1380〜1
250cm-1の赤外線吸収は、アニリン的なC−N結合
によるものである。1090〜1080cm-1付近の弱
い赤外線吸収は第一脂肪族的アミンのC−N結合による
ものである。従って、実施例7〜12のsp2 −Cドメ
インは、グラファイト的な構造以外に、ピリジン的、ア
ニリン的、および第一脂肪族的な構造を含むことがわか
る。
FIG. 7 shows infrared transmission absorption spectra measured for the samples of Examples 7 to 12 and Comparative Example 2. In FIG. 7, the wave number (cm -1 ) of the infrared light transmitted through the sample is shown.
Is plotted on the horizontal axis and the relative value of the infrared transmission spectrum intensity is plotted on the vertical axis. From FIG. 7, in each of the samples,
2215 cm -1 , 1620-1590 cm -1 , 1540
-1520 cm -1 , 1380-1250 cm -1 , 136
Infrared absorption edges are observed near six wave numbers of 0 to 1180 cm -1 and 1090 to 1080 cm -1 . 2215cm
The -1 infrared absorption is due to the cyanamide-like or also benzonitrile-like C≡N bond as the terminal part of the network. 1620-1590 cm -1 and 1
The infrared absorption at 540 to 1520 cm -1 is a combination of a pyridine-like C = C bond and a C = N bond,
That is, it depends on the conjugate state. Also, 1380-1
The infrared absorption at 250 cm −1 is due to an aniline-like C—N bond. The weak infrared absorption around 1090-1080 cm -1 is due to the CN bond of the primary aliphatic amine. Accordingly, it can be seen that the sp 2 -C domains of Examples 7 to 12 include pyridine-like, aniline-like, and first aliphatic structures in addition to the graphite-like structure.

【0060】以上、組成分析および構造解析の結果よ
り、実施例1〜6の試料は、sp3 −Cドメインとsp
2 −Cドメインとがランダムに結合したアモルファスカ
ーボンネットワークを母体として水素がこれらドメイン
の終端部分に結合したa−C:Hからなることがわか
る。即ち、本製造方法により、sp3 −Cドメインとs
2 −Cドメインとがランダムに結合して形成されたア
モルファスカーボンネットワークと、該アモルファスカ
ーボンネットワークを構成している炭素原子の少なくと
も一部に結合した水素原子と、からなるa−C:H薄膜
が製造できることがわかる。
From the results of the composition analysis and the structural analysis,
The samples of Examples 1 to 6Three-C domain and sp
Two-Amorphous moss with random bonding to C domain
Hydrogen in these domains
Consists of aC: H bonded to the terminal part of
You. That is, sp.Three-C domain and s
p Two-A domain formed by random bonding with the C domain
A morphous carbon network and the amorphous carbon
At least the carbon atoms that make up the carbon network
AC: H thin film consisting of a hydrogen atom partially bonded to
It can be seen that can be manufactured.

【0061】また、実施例7〜12の試料は、sp3
Cドメインとsp2 −Cドメインとがランダムに結合し
たアモルファスカーボンネットワークを母体としてこの
ネットワークを構成している炭素原子サイトが窒素原子
で置換されたa−C:Nからなることがわかる。即ち、
本製造方法により、sp3 −Cドメインとsp2 −Cド
メインとがランダムに結合して形成されたアモルファス
カーボンネットワークと、該アモルファスカーボンネッ
トワークを構成している炭素原子サイトの少なくとも一
部に置換された窒素原子と、からなるa−C:N薄膜が
製造できることがわかる。
The samples of Examples 7 to 12 were sp 3-
It can be seen that the amorphous carbon network in which the C domain and the sp 2 -C domain are randomly bonded is formed of aC: N in which the carbon atom sites constituting the network are substituted with nitrogen atoms. That is,
According to the present production method, the amorphous carbon network formed by randomly bonding the sp 3 -C domain and the sp 2 -C domain, and at least a part of the carbon atom sites constituting the amorphous carbon network are substituted. It can be seen that an aC: N thin film composed of the nitrogen atoms formed can be manufactured.

【0062】なお、実施例7〜12の試料ではLiuら
の計算例となったβ−C3 4 の構造が形成されている
とは言い難く、これらの水素化炭素や窒化炭素からなる
薄膜の硬度が大きくなったのは、sp3 −Cドメインに
よる。本実施例においては、sp3 −Cドメインの定量
はなされていないが、硬度の大きい試料ほどこのsp 3
−Cドメインを多く含有していると考えられる。
In the samples of Examples 7 to 12, Liu et al.
Β-C which is an example of calculation ofThreeNFourThe structure of is formed
It is hard to say that these consist of hydrogenated carbon and carbon nitride
The increase in hardness of the thin film is due to spThree-C domain
According to In this embodiment, spThree-Quantification of C domain
Although not performed, the higher the hardness of the sample, the higher the sp Three
It is thought to contain many -C domains.

【0063】また、実施例1〜6の試料のうち実施例
5、実施例6の試料は、実施例1〜4の試料に比べると
比較的硬度が小さく、実施例7〜12の試料のうち実施
例12の試料は、実施例7〜11の試料に比べると比較
的硬度が小さいことがわかる。これは、母材の負のバイ
アス電圧の大きさが過剰となり、アークプラズマ中のイ
オンによる過度のイオン衝撃により母材表面の温度が過
度に上昇したためと考えられる。母材表面の温度が過度
に大きいとき、成長膜中のsp3 −Cが熱平衡状態のよ
り安定なsp2 −Cに再変態が生じ、この結果、sp3
−Cドメインよりもsp2 −Cドメインの形成が優勢に
なったものと考えられる。
Further, among the samples of Examples 1 to 6, the samples of Examples 5 and 6 have a relatively small hardness as compared with the samples of Examples 1 to 4, and the samples of Examples 7 to 12 have a relatively low hardness. It can be seen that the sample of Example 12 has relatively lower hardness than the samples of Examples 7 to 11. This is considered to be because the magnitude of the negative bias voltage of the base material was excessive, and the temperature of the base material surface was excessively increased due to excessive ion bombardment by ions in the arc plasma. When the temperature of the base material surface is excessively high, sp 3 -C in the grown film is re-transformed into more stable sp 2 -C in a state of thermal equilibrium, and as a result, sp 3 -C
Formation of sp 2 -C domain than -C domain is considered to become predominant.

【0064】また、原子間力顕微鏡により表面観察をお
こなった結果、実施例1〜12および比較例1、比較例
2の試料では、表面には0.1μm以上の粒径を有する
粒子はほとんど見られず、表面が平滑であることがわか
った。一方、防御板5を用いないで作製した比較例3の
試料では、表面には粒径がμmのオーダーにおよぶ粒子
が見られ、表面の平滑性が劣っていることがわかった。
このことよりも防御板5の効果が大きいことがわかっ
た。
As a result of observing the surface with an atomic force microscope, the samples of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 showed almost no particles having a particle size of 0.1 μm or more on the surface. It was found that the surface was smooth. On the other hand, in the sample of Comparative Example 3 manufactured without using the protective plate 5, particles having a particle size on the order of μm were observed on the surface, and it was found that the surface was inferior in smoothness.
It was found that the effect of the protection plate 5 was greater than this.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明の硬質薄膜の製造方法により、高
硬度、高潤滑性、高耐凝着性、高耐摩耗性、表面の高平
滑性等の特性が要求される部材等に硬質薄膜を形成する
ことによって、こうした部材の機械的特性を向上させる
ことができる。また、本製造方法は、薄膜形成プロセス
が簡単なため、作製装置が簡便となり、また製造プロセ
スにおける作製条件の制御が比較的楽であるため、容易
に硬質薄膜を製造できる。また、高速度でかつ確実に硬
質薄膜を製造できるため、歩留り率の高い大量生産が可
能となる。また、本製造方法で使用する材料は安価であ
り、かつ製造装置も比較的安価となるため、低コストで
硬質薄膜を製造できる。また、プラズマを空間的に大き
く広げることにより、大面積の薄膜を形成したり、立体
的に複雑な形状の母材に薄膜を形成することも容易にで
きる。
According to the method for producing a hard thin film of the present invention, a hard thin film is required for a member or the like which is required to have characteristics such as high hardness, high lubricity, high adhesion resistance, high wear resistance, and high surface smoothness. By forming, the mechanical properties of such a member can be improved. Further, in this manufacturing method, the thin film forming process is simple, the manufacturing apparatus is simple, and the control of manufacturing conditions in the manufacturing process is relatively easy, so that a hard thin film can be easily manufactured. Further, since a hard thin film can be produced at high speed and reliably, mass production with a high yield can be achieved. Further, the materials used in the present manufacturing method are inexpensive, and the manufacturing equipment is relatively inexpensive, so that a hard thin film can be manufactured at low cost. In addition, by greatly expanding the plasma spatially, it is possible to easily form a large-area thin film or to form a thin film on a base material having a three-dimensionally complicated shape.

【0066】また、本発明の硬質薄膜は、非常に硬度が
大きく、かつ潤滑性、耐凝着性、耐摩耗性および表面の
平滑性に優れるため、磁気ヘッドの保護膜や、金型表面
および工具表面のコーティング等に使用される硬質材料
および超硬質材料として利用することができる。
The hard thin film of the present invention has extremely high hardness and excellent lubricity, adhesion resistance, abrasion resistance and surface smoothness. It can be used as a hard material and a super-hard material used for coating the tool surface and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この図は、本実施例で使用した硬質薄膜の作製
装置の概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for producing a hard thin film used in this example.

【図2】この図は、実施例1〜6および比較例1で得ら
れた試料について、硬度測定の結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the results of hardness measurement of the samples obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.

【図3】この図は、実施例7〜12および比較例2で得
られた試料について、硬度測定の結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the results of hardness measurement of the samples obtained in Examples 7 to 12 and Comparative Example 2.

【図4】この図は、実施例7〜12および比較例2で得
られた試料について、N/C比を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing N / C ratios for the samples obtained in Examples 7 to 12 and Comparative Example 2.

【図5】この図は、実施例1〜6および比較例1、比較
例3で得られた試料について、ラマン分光法によって測
定したラマンスペクトルを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing Raman spectra measured by Raman spectroscopy on the samples obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 3.

【図6】この図は、実施例7〜12および比較例2得ら
れた試料について、ラマン分光法によって測定したラマ
ンスペクトルを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing Raman spectra measured by Raman spectroscopy on the samples obtained in Examples 7 to 12 and Comparative Example 2.

【図7】この図は、実施例7〜12および比較例2で得
られた試料について、IRによって測定した赤外透過吸
収スペクトルを示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing infrared transmission absorption spectra measured by IR for the samples obtained in Examples 7 to 12 and Comparative Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:真空容器 2:炭素源 3:排気口 4:基板ホル
ダー 5:防御体 6:設置台 7:基板 8:直流電
流源 9:直流電圧源 10:水素ガス供給源 11:窒素ガス供給源 12:永久磁石 13:鉄製円
板 14:アークプラズマ 15:熱電対
1: Vacuum container 2: Carbon source 3: Exhaust port 4: Substrate holder 5: Protective body 6: Installation table 7: Substrate 8: DC current source 9: DC voltage source 10: Hydrogen gas supply source 11: Nitrogen gas supply source 12 : Permanent magnet 13: Iron disk 14: Arc plasma 15: Thermocouple

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも炭素を含む炭素源を具備するカ
ソードと、母材と、を用い、アークイオンプレーティン
グ法により硬質薄膜を製造する方法であって、 該母材に負のバイアス電圧をかけて該母材を負の電位と
し、かつ、該カソードと該母材との間に該炭素源から蒸
発する該炭素のうち0.1μm以上の粒径を有する溶融
炭素粒子が該母材上に堆積するのを防ぐ防御体を設けた
ことを特徴とする硬質薄膜の製造方法。
1. A method for producing a hard thin film by an arc ion plating method using a cathode having a carbon source containing at least carbon and a base material, wherein a negative bias voltage is applied to the base material. The base material is set at a negative potential, and molten carbon particles having a particle size of 0.1 μm or more among the carbon evaporated from the carbon source between the cathode and the base material are formed on the base material. A method for producing a hard thin film, comprising a protective body for preventing deposition.
【請求項2】該炭素源は黒鉛からなる請求項1に記載の
硬質薄膜の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the carbon source is made of graphite.
【請求項3】少なくとも水素を含むアークプラズマを用
いる請求項1に記載の硬質薄膜の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein an arc plasma containing at least hydrogen is used.
【請求項4】前記負のバイアス電圧が、−50V〜−3
00Vの範囲内にある請求項3に記載の硬質薄膜の製造
方法。
4. The method according to claim 1, wherein said negative bias voltage is between -50V and -3V.
The method for producing a hard thin film according to claim 3, which is in the range of 00V.
【請求項5】少なくとも窒素を含むアークプラズマを用
いる請求項1に記載の硬質薄膜の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein an arc plasma containing at least nitrogen is used.
【請求項6】前記負のバイアス電圧が、−100V〜−
400Vの範囲内にある請求項5に記載の硬質薄膜の製
造方法。
6. The method according to claim 1, wherein said negative bias voltage is between -100 V and-
The method for producing a hard thin film according to claim 5, wherein the voltage is in a range of 400V.
【請求項7】ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプト
ン、キセノンの少なくとも一種を含むアークプラズマを
用いる請求項1に記載の硬質薄膜の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein an arc plasma containing at least one of helium, neon, argon, krypton, and xenon is used.
【請求項8】該アークプラズマは、系内圧力が0.01
Pa以上30Pa以下である請求項3、請求項5、請求
項7のいずれかに記載の硬質薄膜の製造方法。
8. The arc plasma has a system pressure of 0.01.
The method for producing a hard thin film according to any one of claims 3, 5, and 7, which is not less than Pa and not more than 30 Pa.
【請求項9】該防御体は、金属、セラミックスの少なく
とも一種からなり、板状の防御板である請求項1に記載
の硬質薄膜の製造方法。
9. The method for producing a hard thin film according to claim 1, wherein said protective body is made of at least one of a metal and a ceramic, and is a plate-like protective plate.
【請求項10】該防御体は、0Vもしくは正の電位にあ
る請求項1に記載の硬質薄膜の製造方法。
10. The method according to claim 1, wherein the protective body is at 0 V or at a positive potential.
【請求項11】電子ビーム、レーザ、イオンビームの少
なくとも一つを併用して該炭素源より該炭素を蒸発させ
る請求項1に記載の硬質薄膜の製造方法。
11. The method according to claim 1, wherein the carbon is evaporated from the carbon source by using at least one of an electron beam, a laser, and an ion beam.
【請求項12】該母材は、金属、半導体、セラミック
ス、樹脂の少なくとも一種からなる請求項1に記載の硬
質薄膜の製造方法。
12. The method according to claim 1, wherein the base material is made of at least one of a metal, a semiconductor, a ceramic, and a resin.
【請求項13】少なくとも炭素を含む炭素源を具備する
カソードと、母材と、を用い、該母材に負のバイアス電
圧をかけて該母材を負の電位とし、かつ、該カソードと
該母材との間に該炭素源から蒸発する該炭素のうち0.
1μm以上の粒径を有する溶融炭素粒子が該母材上に堆
積するのを防ぐ防御体を設けた状態でアークイオンプレ
ーティング法により得られた硬質薄膜であり、 該硬質薄膜は、複数のsp3 混成軌道をとった炭素原子
(以下、sp3 −Cと称する)が互いに結合して形成さ
れた短距離秩序の大きさのドメイン(以下、sp3 −C
ドメインと称する)と複数のsp2 混成軌道をとった炭
素原子(以下、sp2 −Cと称する)が互いに結合して
形成された短距離秩序の大きさのドメイン(以下、sp
2 −Cドメインと称する)とがランダムに結合して形成
されたネットワーク構造の炭素結合種(以下、アモルフ
ァスカーボンネットワークと称する)と、該アモルファ
スカーボンネットワークを構成している炭素原子の少な
くとも一部に結合した水素原子と、からなるアモルファ
スカーボン(a−C:H)薄膜であることを特徴とする
硬質薄膜。
13. A cathode provided with a carbon source containing at least carbon, and a base material, a negative bias voltage is applied to the base material to bring the base material to a negative potential, and Of the carbon that evaporates from the carbon source between the base metal and the base material, 0.1% of the carbon evaporates.
A hard thin film obtained by an arc ion plating method in a state where a protective body for preventing molten carbon particles having a particle diameter of 1 μm or more from being deposited on the base material is provided; 3 hybrid orbital and taking carbon atoms (hereinafter, referred to as sp 3 -C) size of the domains of short-range order bound formed together (hereinafter, sp 3 -C
Referred to as the domain) and a plurality of sp 2 hybrid orbital and taking carbon atoms (hereinafter, referred to as sp 2 -C) size of the domains of short-range order bound formed together (hereinafter, sp
A carbon bond species (hereinafter referred to as an amorphous carbon network) having a network structure formed by random bonding with a 2- C domain; and at least a part of carbon atoms constituting the amorphous carbon network. A hard thin film characterized by being an amorphous carbon (aC: H) thin film comprising bonded hydrogen atoms.
【請求項14】少なくとも炭素を含む炭素源を具備する
カソードと、母材と、を用い、該母材に負のバイアス電
圧をかけて該母材を負の電位とし、かつ、該カソードと
該母材との間に該炭素源から蒸発する該炭素のうち0.
1μm以上の粒径を有する溶融炭素粒子が該母材上に堆
積するのを防ぐ防御体を設けた状態でアークイオンプレ
ーティング法により得られた硬質薄膜であり、 該硬質薄膜は、複数のsp3 −Cが互いに結合して形成
されたsp3 −Cドメインと複数のsp2 −Cが互いに
結合して形成されたsp2 −Cドメインとがランダムに
結合して形成されたアモルファスカーボンネットワーク
と、該アモルファスカーボンネットワークを構成してい
る炭素原子サイトの少なくとも一部に置換された窒素原
子と、からなるアモルファスの窒化炭素(a−C:N)
薄膜であることを特徴とする硬質薄膜。
14. A cathode provided with a carbon source containing at least carbon, and a base material, a negative bias voltage is applied to the base material to bring the base material to a negative potential, and Of the carbon that evaporates from the carbon source between the base metal and the base material, 0.1% of the carbon evaporates.
A hard thin film obtained by an arc ion plating method in a state where a protective body for preventing molten carbon particles having a particle diameter of 1 μm or more from being deposited on the base material is provided; 3 -C bond and the sp 3 -C domains formed by a plurality of sp 2 -C are sp 2 -C domain bound formed each other and the amorphous carbon network bound formed randomly to each other An amorphous carbon nitride (aC: N) comprising: a nitrogen atom substituted at least at a part of a carbon atom site constituting the amorphous carbon network.
A hard thin film, which is a thin film.
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